华北区域冰雹天气分型及云系特征

蓝 渝郑永光毛冬艳林隐静朱文剑方 翀

1）（中国气象科学研究院，北京100081）2）（中国科学院大学，北京100049）

3）（国家气象中心，北京100081）

华北区域冰雹天气分型及云系特征

蓝 渝1）2）3）*郑永光3）毛冬艳3）林隐静3）朱文剑3）方 翀3）

1）（中国气象科学研究院，北京100081）2）（中国科学院大学，北京100049）

3）（国家气象中心，北京100081）

基于地面加密观测资料、FY-2E静止气象卫星观测资料和NCEP分析资料，选取2010—2012年华北区域内27次冰雹过程，按大气环流背景、主要影响系统和云系的云型特征等将其分为冷涡云系尾部型、低涡槽前型和偏北气流控制型3种类型。分析结果表明：3种天气型下冰雹对流云系特征存在差异，但90%以上的冰雹过程发生在对流云团的快速发展阶段中，降雹集中出现于准圆形或椭圆形对流云团边缘或带状对流云系的传播前沿区域，对应于云顶亮温梯度的大值区。在掌握背景环境的前提下，综合分析红外图像中对流系统的发展演变、水汽图像暗带和暗区变化等信息，对冰雹的监测和预警有一定的参考价值。定量统计分析表明，大的亮温梯度值（不低于8℃／0.05°）是辅助判断冰雹能否发生的重要参量，而当冰雹云同时具备低云顶亮温和大亮温梯度的情况下，更有利于大于10 mm大冰雹的发生。

冰雹；对流云系；静止气象卫星；红外图像；水汽图像

引 言

冰雹天气是强对流天气的一类，导致降雹的对流系统具备空间尺度小、发展速度快、生命史短、危害性强等特点。受时间频次和空间分布限制，常规地面和探空观测不足以全面揭示产生冰雹的中小尺度系统的发生、发展和演变特征［1］，对冰雹的预报和预警仍是现代天气业务中的难点。

随着气象卫星、多普勒天气雷达、闪电定位系统等探测技术手段的快速发展，非常规观测资料在冰雹等强对流天气的短时临近预报中得到广泛应用。国内外已经开展了大量基于雷达观测资料的冰雹云识别技术和方法研究［2-6］，有效提高了临近时段内冰雹预警预报能力。但单纯的雷达资料难以反映关注地区所具备的大尺度环境场特征［7］，而这正是判断初生对流单体是否能够发展成为强对流系统的重要依据。

卫星观测资料是监测和研究中小尺度天气系统最有效的工具之一［8-9］。静止气象卫星观测具有时空分辨率高、覆盖范围广等特点，卫星云图提供的大尺度云系轮廓、形态和分布等信息，在一定程度上反映了大气的环流配置、温湿状态和动力特征。同时对于中小尺度云系，卫星资料提供的云型结构、范围大小、边界形状、色调纹理等特征，也为分析对流系统的发展演变提供了丰富信息［10］。20世纪70年代起，国外学者已开始运用卫星云图资料研究冰雹云系特征［11-12］。对于我国的冰雹天气系统特征，国内气象学者从气候统计、环流形势、物理量诊断以及雷达、闪电特征等方面进行了大量研究［13-17］，但在冰雹云系的卫星云图特征研究方面有所不足，已有的研究工作也多以个例过程分析为主［18-21］。总之，静止气象卫星资料在一定程度上能够弥补雷达观测资料在探测冰雹方面的不足，但目前国内在应用静止气象卫星观测资料进行冰雹对流云系的特征研究工作还比较少，尤其在云图特征的定量化统计分析研究方面报道相对较少。

本研究重点运用FY-2E静止气象卫星提供的多通道数据资料，基于27次典型个例，对华北区域冰雹天气过程进行系统的分型和云系特征总结，并运用定量分析方法，总结了冰雹发生时刻的对流云亮温特征，以期为该地区冰雹客观预报和预警提供参考。

1 资料与处理

本文使用的资料主要包括地面观测资料、FY-2E静止气象卫星资料以及2010—2012年NCEP FNL资料（1°×1°）等。

1.1 冰雹天气过程个例

利用常规地面观测资料、重要天气报告（WS报）资料，对华北区域（35°～45°N，110°～120°E）冰雹天气历史实况数据进行提取。规定对流云系3 h内在所影响区域造成3个以上站点有冰雹记录时，方选取为1次个例过程。通过普查冰雹实况记录，共选取2010—2012年中27次冰雹天气过程进行分析（表1）。

表1 冰雹天气过程资料提取信息表Table 1 Hail convective storm cases in North China

从时间分布上看，初夏和盛夏（6—7月）为我国华北地区冰雹过程的高发季节（占92.3%），且大部分冰雹发生在午后至傍晚时段，其季节分布和日变化特征与杨贵名等［14］的研究结果相符。

1.2 静止气象卫星资料

本研究中27例冰雹过程的定性和定量分析均只采用FY-2E静止气象卫星的等经纬度资料，包括窗区红外通道（10.3～11.3μm）、水汽通道（6.7μm）和可见光通道亮温资料，其中窗区红外通道和水汽通道资料水平分辨率为5 km，可见光通道资料水平分辨率为1.25 km。

1.3 卫星资料定量分析

为满足定量分析需求，在确保冰雹观测的发生时间、冰雹直径以及30 min间隔卫星资料无缺测前提下，由27例冰雹个例中共挑选136站冰雹数据作为定量分析数据集。

依据冰雹出现的时间记录，将该时刻前后的两个观测时次作为提取卫星资料的时间范围（间隔为30 min）；以出现冰雹的站点经纬度格点为中心网格点，选取7×7（0.35°×0.35°）的网格作为提取卫星资料的空间范围。分析冰雹天气出现时刻前后、出现站点附近区域内的窗区红外通道亮温、水汽通道亮温及相应梯度特征，总结冰雹云系在卫星图像上的量化表现。

2 冰雹天气云系分型

有利于对流系统发展的大尺度环流形势和环境场条件是造成强对流天气发生的基础，综合分析大气环流背景、主要影响系统和冰雹天气云系的云型特征，将华北地区典型冰雹过程分为冷涡云系尾部型、低涡槽前型和偏北气流控制型3种类型。本文研究个例中，冷涡云系尾部型为10例（占37.0%），低涡槽前型为6例（占22.2%），偏北气流控制型为11例（占40.8%）。在3种类型冰雹天气过程中，偏北气流控制型强对流过程主要造成冰雹和雷暴大风等灾害天气，而冷涡云系尾部型和低涡槽前型对流过程在造成风雹灾害的同时，常伴随有明显短时强降水（小时降水量超过20 mm）天气发生。

2.1 冷涡云系尾部型

华北区域冷涡云系尾部型降雹天气过程的环境场配置如图1所示。在环流形势上，500 hPa在中高纬度地区呈明显的经向型特征，通常为两脊一槽配置；在蒙古国东部或内蒙古东北部地区存在冷涡系统，系统中心多位于45°～55°N，110°～125°E范围内，冷涡发展深厚，地面有低压中心配合；冷涡系统东部至鄂霍次克海一带存在阻高系统，呈稳定的东亚阻塞形势。华北地区处于冷涡系统南侧，中层高空槽过境携带干冷空气东移南下，配合低层从西北地区东部向华北方向伸展的暖脊，形成大尺度的不稳定环境。主要的降雹区域位于冷涡南侧500 hPa或700 hPa高空槽底部，对应于地面锋面尾部位置。

地面锋面、露点锋等边界层辐合线为对流系统的发生发展提供了抬升的触发机制。高空中层偏西急流携带的干冷空气叠加在南部低层暖湿气流之上，配合下垫面的不均匀加热作用，在局地形成强的热力不稳定层结，有利于对流系统的发展增强。当系统呈前倾结构特征时，更有利于触发大范围的风雹类灾害天气。

图1 华北地区冷涡云系尾部型降雹天气环境条件场Fig.1 The conceptual pattern of hail convective storm at the rear of cold vortex system in North China

多数情况下，该类型对流系统在其快速发展至成熟阶段期间，在高空槽底部附近可观测到由对流云上空的伪卷云区与锋面云带相互联结所组成的中尺度带状密蔽云区，其北部与冷涡螺旋云系相连，主要降雹区域位于对流云带的尾部附近。2012年6月25日华北北部的大范围降雹过程为该类型降雹天气的典型个例（图2a），20：00（北京时，下同）华北北部位于冷涡南侧槽底附近，受高空槽过境影响。可见光云图（图2b）中，蒙古国东部至华北北部可以清晰观测到南北向冷涡带状对流云系，云系尾部的对流云团中存在上冲云顶和暗影等特征。

图3为2012年6月25日个例中对流云不同发展阶段的连续变化图像。由14：00的FY-2E气象卫星窗区红外通道图像（图3a）可见，华北北部大部分地区为晴空区，在冷涡南侧地面锋面附近有多个小尺度新生对流单体发展。同时刻水汽通道图像（图3b）中，山西北部、河北北部以及内蒙古中部为明显的暗区，其与天气图中的高空干冷区相对应。上述地区受午后地表热力作用影响，在暗区内发展的对流云团处于不断加强的不稳定层结中，有利于系统的快速发展。17：00对流系统处于快速的发展阶段（图3c），前期独立的对流单体迅速加强，逐渐形成连续的带状对流云系，其北部与冷涡系统的螺旋云系相连。此阶段中，对流云系尾部区域有多个相对独立的椭圆块状云团迅速发展（云团A～E），并产生降雹天气。在20：00窗区红外通道图像（图3d）中，对流系统进入成熟阶段，对流云系顶部发展为东北—西南向密蔽卷云带，并随高空槽东移向偏东方向移动。这一阶段中对流系统的发展最为旺盛，最低红外云顶亮温达到－62℃以下，但期间主要产生以强降水为主的对流性天气，测站并未出现冰雹记录。对流系统最终于次日凌晨（约04：00）消亡，生命史长达14 h。

图2 2012年6月25日降雹过程 （a）20：00 500 hPa高度（等值线，单位：dagpm）和18：00窗区红外通道图像，（b）18：00可见光云图Fig.2 The case on 25 June 2012（a）500 hPa geopotential height（contour，unit：dagpm）at 2000 BT and infrared image at 1800 BT，（b）visible image at 1800 BT

图3 2012年6月25日降雹过程图像（a）14：00窗区红外通道图像，（b）14：00水汽通道图像，（c）17：00窗区红外通道图像，（d）20：00窗区红外通道图像Fig.3 The case on 25 June 2012 （a）infrared image at 1400 BT，（b）water vapor image at 1400 BT，（c）infrared image at 1700 BT，（d）infrared image at 2000 BT

总体上看，在冷涡云系尾部型对流过程中，冰雹多出现在午后冷涡云系尾部区域内新生对流云团的快速发展时期，降雹的对流云呈长宽比约为2：1的椭圆块状云团，冰雹出现的位置均集中在云团的南侧边缘一带。当对流系统进入成熟阶段后降雹明显减少或基本结束。在水汽通道图像中，暗带的东移南压表明对流层中高层有干冷空气南下，冰雹云团通常新生于水汽暗带边缘或暗区之中。实际业务中，通过观测水汽通道图像中暗带、暗区的位置及发展变化，能够对于这类型降雹对流天气的短临预警能够提供一些帮助。

需要指出，该类型冰雹过程在少数情况下，冷涡云系主体并未发展为明显的带状密蔽云区，对流云系未与北部冷涡螺旋云系相连，如2012年6月1日的过程中，冰雹同样出现在高空槽底附近的准圆或椭圆块状对流云团中，但在对流系统的发展、成熟和消亡中，降雹云北侧始终保持为孤立的对流云团状态。相对而言，这类情况下的冰雹云生命史较短（4～8 h），产生冰雹时对流云云顶发展较低，预报的难度较大。

2.2 低涡槽前型

低涡槽前型降雹天气中，对流系统的发生发展与低涡的东移南掉密切相关，具体的环境条件场如图4所示。在内蒙古中部至华北北部上空500 hPa存在深厚的低涡系统，中心位置位于30°～35°N，110°～120°E区域，系统位置偏南；低涡系统东侧无明显阻塞高压形势，系统主体向偏东方向快速移动；低层有低压中心配合，且700 hPa以上的大气中层存在明显的冷中心或冷槽。由图4可知，华北地区受低涡系统的直接影响，中层为冷槽控制，低层850 hPa以下槽前有暖脊发展，形成自南向北的暖湿平流，构成有利于大尺度不稳定的层结配置。降雹落区分为两个部分，主要的降雹对流云团出现在低涡东南象限的低层槽前区域，低涡位置越偏南，对华北地区的影响范围越大。

在中尺度对流环境场中，降雹发生区域内往往呈现明显的前倾结构，即700 hPa或以上对流层中层存在强的降温区，而在低层850 h Pa假相当位温（θse）场中则处于由南向北延伸的高能舌顶端，下暖湿上干冷的强热力不稳定层结促使小尺度对流系统形成后快速加强，并造成强对流天气。由于该类型中的对流云系多发展于低层槽前暖区一侧，水汽输送充沛，因此在产生风、雹类天气的同时常伴有明显的短时强降水。

图4 华北地区低涡槽前型降雹天气环境场条件Fig.4 The conceptual pattern of hail convective storm ahead of the cold vortex in North China

在静止卫星图像上，这类天气型下对流云团多新生于低涡东南部的螺旋云带中，对应于低层的槽前暖区一侧。对流云团生成后快速发展，并最终形成锋面带状对流云系向偏东方向传播，其生命史较长，一般达10～16 h。由2010年6月17日河北、北京、天津等地的大范围冰雹天气过程（图5a）可见，低涡系统的位置偏南，中心位于内蒙古、河北交界地区。华北中北部大部地区处于中层冷温度槽控制下，500 h Pa，700 hPa偏西急流携带干冷空气叠加在低层槽前暖湿气流之上，形成强的不稳定层结，并支持了对流系统的快速发展和长时间维持。对流系统自上午时段开始发展，迅速加强后伴随低涡系统东移过境，直至第2天后半夜减弱、结束，生命史长达16 h。图5b为6月17日09：00的水汽通道图像，低涡南部为东北—西南向带状晴空区域，对应于500 hPa急流轴位置。华北北部处于晴空区顶端，其区域内新生对流系统表现为螺旋云系中的块状小尺度对流云团（暗区之中），中层干冷空气的影响，有利于对流云团的快速发展加强。至中午时段（13：00），对流系统已逐步发展为东北—西南向锋面对流云系，并形成飑线系统，其云顶表现为带状的密闭云区（图5c）。之后带状云系向东偏南方向传播，强度维持。由17：00窗区红外图像（图5d）可见，在带状对流云系前沿不断有新生对流云团发展（云团A～D），其位置对应于冰雹等强对流天气集中发生地区。入夜后对流云系强度逐渐减弱（图略），降雹过程结束，但系统造成的短时强降水一直持续至后半夜。

图5 2010年6月17日降雹过程卫星图像（a）20：00的500 hPa高度（等值线，单位：dagpm）和17：00窗区红外通道图像，（b）09：00水汽通道图像，（c）13：00窗区红外通道图像，（d）17：00窗区红外通道图像Fig.5 The case on 17 June 2010（a）500 hPa geopotential height（contour，unit：dagpm）at 2000 BT and infrared image at 1700 BT，（b）water vapor image at 0900 BT，（c）infrared image at 1300 BT，（d）infrared image at 1700 BT

在低涡槽前型降雹天气过程中，初期独立的块状对流云团中可能出现降雹，而随着对流系统发展成为连续的带状对流云系，在其传播方向前沿位置不断有新的对流云团产生、发展，从而持续造成冰雹天气。因此，该类降雹天气过程中的对流云系具有降雹持续时间长，灾害影响范围广，且伴随明显的强降水天气等特点。水汽通道图像中，可关注低涡东南象限内的暗带位置，当暗带顶端附近区域出现对流云团，且位置处于高空急流轴区域时，需重点关注对流系统的快速演变和传播，并在其下游地区进行强对流天气的预警和防护工作。

2.3 偏北气流控制型

偏北气流控制型降雹天气过程中，在500 hPa上冷涡系统位置偏东，中心通常位于45°N以北、120°E以东的鄂霍次克海附近，在我国新疆东部至蒙古国东部地区存在一个大尺度高压脊，高压脊前部不断有短波槽携带补充冷空气沿脊前偏北气流下滑影响下游地区，环境场条件如图6所示，其形势特征与史海平等［22］研究中介绍的西北气流型以及郑媛媛等［23］提出的冷涡槽后型对流天气类似。华北地区位于冷涡系统主槽槽后、高压脊前，受槽后冷气团或变性冷气团控制，高空为西北或偏北气流，温度较低，水汽条件较差，大尺度环境场呈较稳定的层结结构。

图6 华北地区偏北气流控制型降雹天气环境场条件Fig.6 The conceptual pattern of hail convective storm within northerly flow in North China

对流条件分析表明：华北地区中高层受偏北冷平流控制，但低层850 h Pa以下受中小尺度范围的暖空气团及日变化影响，午后局地热力条件有所改善，呈相对暖而干的状态，实现了不稳定能量的累积。另一方面，中层高压脊前存在短波槽及补充冷空气下滑，在提供了动力抬升条件的同时，加强了上冷下暖的不稳定大气层结，支持了降雹对流云团的发展。但在水汽条件方面，由于缺乏大尺度的水汽输送，导致对流区域内整层湿度较低，不利于对流系统强度的长时间维持，对流生命史较短。总体上，在这种温湿配置下，下垫面的不均匀加热作用为对流触发提供了低层热力条件，而中层短波槽前的上升气流、正涡度平流引起的次级环流等动力触发条件也是形成中小尺度强对流云团的关键因子。在短波槽过境地区及其下游区域中，对流有效位能相对较高、中尺度层结条件相对有利的地区是冰雹或对流性大风等灾害天气的易发区域。

以2011年6月24日降雹过程为例，由08：00的500 hPa位势高度和09：00窗区红外通道图像（图7a）可见，由于冷空气主体已随主锋面南下，江南地区有大尺度的锋面或切变云系，其东端与东侧的冷涡云系相连，华北地区主要为晴空区。在内蒙古中部地区有一横槽系统嵌在高压脊上，并沿脊前偏北气流下滑。山西、河北等地位于短波槽下游，高空受西北气流控制。15：00短波系统移动至河北、山西中部地区（图7b），在横槽附近区域出现分散（斑点状）小型对流云团（云团A～D），云型呈准圆或椭圆形，冰雹集中发生在对流云团的新生发展阶段（15：00—16：00）。至17：00对流云团继续发展增强，最低云顶亮温达到－44℃，但未合并成为较强的中尺度对流系统，测站上也未出现冰雹记录。该对流过程共造成山西、河北南部地区出现5站次冰雹和4站次雷暴大风天气，最大冰雹直径为15 mm，但过程降水量较小，云团整个生命史约6 h。

总体上，这类降雹云系在卫星云图上多显示为孤立对流云团的发展和消亡，对流云顶高度相对较低，生命史较短（3～8 h），系统所造成的过程降水量较小，但易产生突发性局地强风雹类天气。少数情况下，当对流系统生成后可能移入局地有利的层结环境中，进一步支持对流云团不断发展合并，形成快速移动的线状对流云系，甚至飑线系统［7］，其致灾性更强。数值模式对此类型强对流系统预报能力较差，在实际业务中，关注短波槽附近和下游地区中尺度环境层结条件，在发现对流云团生成后，利用连续时次的卫星图像进行云团追踪外推是可行的临近预警预报方法。

2.4 各降雹天气型特征异同

就冰雹发生时段而言，冷涡云系尾部型和偏北气流控制型对流天气中，降雹主要出现在系统发展成熟前相对孤立的对流云团中，当对流云团加强合并或进入成熟阶段后，降雹观测记录明显减少或基本结束；而在低涡槽前型中，由于在对流云团产生、发展直至带状对流云系维持的过程中，系统传播前沿区域不断有新生的对流云团发展，从而持续产生降雹，因此其降雹的持续时间和影响范围均大于其他两类降雹过程。3种降雹天气型的主要特点及其异同见表2。

图7 2011年6月24日降雹过程卫星图像（a）08：00 500 hPa高度（等值线，单位：dagpm）和09：00窗区红外通道图像，（b）15：00窗区红外通道图像Fig.7 The case on 24 June 2011（a）500 hPa geopotential height（contour，unit：dagpm）at 0800 BT and infrared image at 0900 BT，（b）infrared image at 1500 BT

表2 华北地区3种降雹天气型主要特征Table 2 Characteristics of three-pattern hail convective storms in North China

在各通道的卫星图像中，不同天气型下的冰雹对流云系形态虽具备其各自的特征差异，但存在以下共同特征：90%以上冰雹发生于对流云团的快速发展阶段，表现为冰雹云云顶亮温的迅速降低或云砧的快速发展。产生降雹的孤立对流云团或对流系统中的中小尺度对流云团多呈现准圆形或椭圆形结构，其长宽比小于2：1；对流系统进入成熟阶段后，其云型长宽比逐渐增大，降雹较少发生，这一特点在冷涡云系尾部型和偏北气流控制型降雹云系中尤为明显。冰雹集中出现位置多位于对流云团的南侧边缘地区，136个站中出现117个站（占86%），在红外通道图像中对应于云团偏南侧的云顶亮温梯度大值区域，而非云顶亮温的低值中心区域。关注水汽通道图像中对流云团与水汽暗带和暗区相互位置，是辅助判断对流云是否可能发展成为降雹云系的有效预警指标。

3 冰雹云窗区红外通道图像特征量统计

3.1 冰雹云亮温极值及亮温梯度极值特征

窗区红外通道的云顶亮温（TBB）是指示对流发展强弱的重要参考指标，TBB越低表征云顶高度越高，对流活动越强，云团产生降雹的可能性越大。从136个站冰雹数据中选用冰雹发生前后时刻7×7格点范围内TBB极小值作为分析对象，分析冰雹发生时刻附近区域内对流云顶亮温情况。图8a为不同天气类型下的降雹云TBB极值分布箱须图。由图8a可见，3类降雹天气型中，冰雹云红外亮温极值的中值均分布在－45℃左右，在136个站冰雹记录中仅约26%的冰雹发生时TBB＜－50℃，而低于－60℃ 的冰雹个例约占8%。其中，偏北气流控制型降雹云顶亮温极值大小的分布情况明显高于冷涡云系尾部型和低涡槽前型，TBB≥－50℃情况下出现冰雹的比例近80%。造成这一现象的原因与偏北气流控制型降雹天气发生时华北地区受冷空气团控制，大气环境温度相对较低有关。由于在云顶发展较低的对流云团中可能出现冰雹天气，这增加了偏北气流控制型冰雹过程的实时监测和预警难度。

定量分析表明，50%以上的冰雹在出现时云顶亮温为－50～－35℃，因此在快速发展的对流系统中，较高的对流云顶（或低云顶亮温）并不是冰雹出现的必要条件。

在冰雹云TBB梯度极值的计算中，对逐时次7×7格点数据进行处理，针对去除边缘各点后的25个格点数据，逐一计算其与周围8个格点的亮温差值及格点距离，取得该格点上的最大亮温梯度绝对值，之后取25个格点最大亮温梯度值中的极大值作为定量分析对象，不同天气类型下的降雹云TBB梯度极值分布如图8b所示。3类降雹天气型下的降雹云中，在冰雹发生时刻均具备TBB梯度极值较大的特点，其中值大于9℃／0.05°。其中，在冷涡云系尾部型降雹云中TBB梯度极值达到10℃／0.05°以上的站占70%以上，明显高于另外两种类型（分别占48.6%和54.7%）。

在对流云系中，这类TBB梯度极值大值区域多分布于对流云团边缘或对流系统传播的前沿区域，在可见光云图中显示云顶的剧烈起伏，表征对流发展活跃，对流云团快速增长，与2.4节中冰雹集中发生区域的位置关系以及云图特征相一致。相对而言，对流云边缘地区是否具备大的TBB梯度值可做为辅助判断冰雹天气能否出现的重要参量。

图8 不同天气类型下的降雹云TBB极值（a），TBB梯度极值（b）（＋表示奇异点）Fig.8 Box-and-whiskers plots of the extremeTBB（a）and of the extreme gradientTBB（b）（＋denotes outlier）

3.2 亮温极值与亮温梯度极值分布

冰雹直径的大小直接影响其造成灾害的强度，同时也间接反映降雹对流云的对流发展强弱程度。许晨海等［24］通过研究9次内蒙古地区发生的冰雹云TBB变化特征指出，云顶温度不小于－30℃且水平梯度不低于50℃／50 km，是产生重雹灾的特征。本研究中，将136个站冰雹记录按冰雹直径小于10 mm和不小于10 mm分为两类，其冰雹发生时刻对应的红外通道冰雹云TBB极值与TBB梯度极值散点分布情况如图9所示。总体上看，当同时出现对流云顶亮温较低且亮温梯度较大的情况下，更利于出现直径超过10 mm的较大冰雹。

图9 冰雹云亮温极值与亮温梯度极值分布Fig.9 Scatters beween extremeTBBand extreme gradientTBBfor all hail convective storms in North China

4 小结与讨论

本文通过对华北地区2010—2012年共27例大范围典型冰雹天气过程进行分型，并针对冰雹云在卫星云图中的表现特征进行定性和定量分析，得到以下结论：

1）根据大气环流背景、主要影响系统以及冰雹云系云型特征等因素，华北地区降雹天气可分为3种类型：冷涡云系尾部型、低涡槽前型和偏北气流控制型。

2）3类天气型下的冰雹云图表现具备一定的共同特征：90%以上的冰雹发生于对流云团的快速发展阶段，冰雹集中出现在准圆形或椭圆形中、小尺度对流云团边缘或带状对流云系的传播前沿位置，对应于卫星红外通道中云顶亮温梯度大值区域。

3）定量分析表明：较高的对流云顶并非冰雹出现的必要条件，50%以上冰雹在其发生时刻的附近区域内降雹云红外亮温为－50～－35℃。另一方面，80%冰雹出现时，在红外图像中具备较大的冰雹云TBB梯度（不小于8℃／0.05°）。降雹云同时具备低云顶亮温和大亮温梯度的情况下，更有利于出现直径10 mm以上的大冰雹。

由定量分析结果可见，相对于红外亮温的低值区，在对流云团中TBB梯度的大值区域与冰雹发生位置有较好的时空对应关系。国内外研究表明，云顶亮温梯度大小与云内上升气流是否强盛关系密切，TBB梯度可间接反映云团内部对流的活跃程度。在产生降雹的对流云团中，来自低层的暖湿上升气流不仅给冰雹云输送了充分的水汽，还支撑了冰雹粒子在云中停留和持续增长，因此云内强烈的上升气流（或者斜升气流）是对流云团发展增强的重要特征，也是支持冰雹形成和生长的必要条件［12］。在红外云图中，云内上升气流的发展和增强会在其附近区域造成TBB梯度快速增大、TBB迅速下降等现象，因此，具备这类特征的区域在一定程度上可指示冰雹的高发概率区域。另一方面，在多数的强雷暴结构中，由于主要的强上升气流区域位于风暴移动或传播的前侧，因此在对流系统传播的前沿位置快速发展的云团中，其物理条件更有利于冰雹特别是大冰雹天气产生，这一点与前文中的观测相一致。

本研究基于30 min间隔的静止卫星数据开展，在下一步工作中，运用高时空分辨率的卫星数据，结合物理量综合参数诊断以及雷达、探空、闪电等多源观测资料，将更有利于进一步揭示致雹对流云的连续发展演变特征，加深对于强对流系统发展的认识。

致 谢：特别感谢国家卫星中心方宗义研究员对本文工作的悉心指导和建议。

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Classification and Satellite Nephogram Features of Hail Weather in North China

Lan Yu1）2）3）Zheng Yongguang3）Mao Dongyan3）Lin Yinjing3）Zhu Wenjian3）Fang Chong3）

1）（Chinese Academy of Meteorological Scienes，Beijing100081）
2）（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049）
3）（National Meteorological Center，Beijing100081）

Based on conventional observations，automatic weather station data，geostationary satellite data and NCEP FNL data，meso-scale features of 27 hail processes occurred over Northern China during 2010－2012 are analyzed.According to synoptic circulation and cloud characteristics，these hail processes are divided into three types.

The first type of hail convective storm is often embedded in the westerly trough of cold vortex system.The place where the severe convective storms initiated is frequently on the rear of the cloud band corresponding to the synoptic system.The cold front provides a strong lifting for convective initiation，while the anticyclone dry air intrusion triggers the intensive development of the hail storm.Whenever the water vapor content is plenty，heavy rainfall can also occur.

The hail shooting zone of the second type convective storm is in the front of the cold vortex.The range of affected area is highly related to the southward movement of the cold vortex system.The front system often presents a forward-tilting structure，which is the main characteristic of this type of hail convective storm.The middle layer cold air mass become superimposed above 850 hPa warm ridge，which causes a wide range of potential instability，and also a continuous hail shooting weather，accompany with heavy rainfall in North China.The life span of the convective system is as long as 10 to 16 hours.The third type of hail convective storm generally occurs in a stable synoptic background，which is different from the other two.The hail storm initiates within the cold air mass，while the northerly air stream dominates the upper layer.Due to the poor moisture condition，the main disaster is hail and wind gale rather than shortduring heavy rainfall.The short-wave trough at 500 h Pa and the weak convective instability in the afternoon locally may be the cause for this kind of convective storm，and it is still difficult to forecast.

On satellite-based（infrared and water vapor）images，over 90%of hail events produce hail when the convective storm growing rapidly.The main hail shooting zone is near the edge of a storm propagation frontal side，corresponding to a large gradient ofTBBarea in infrared image.The convective storm with both the lowTBB（≤－40℃）and large gradient ofTBB（≥8℃／0.05°）features seems an important threshold for short-range forecasting a bigger hail stone.

hail；convective cloud；geostationary meteorological satellite；infrared image；water vapor image

蓝渝，郑永光，毛冬艳，等.华北区域冰雹天气分型及云系特征.应用气象学报，2014，25（5）：538-549.

2014-01-06收到，2014-05-20收到再改稿。

公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206003，GYHY201206004），国家重点基础研究发展计划（2013CB430106）

*email：lanyu＠cma.gov.cn